1、以厭氧氨氧化技術(shù)為核心的脫氮工藝已逐漸成為污水處理領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。與傳統(tǒng)的硝化反硝化工藝相比，厭氧氨氧化工藝具有經(jīng)濟(jì)、節(jié)能、高效和環(huán)境友好的特點(diǎn)。然而，由于厭氧氨氧化細(xì)菌倍增時(shí)間長(zhǎng)、生長(zhǎng)緩慢，導(dǎo)致厭氧氨氧化工藝啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)的缺點(diǎn)已成為該工藝大規(guī)模快速應(yīng)用于實(shí)際廢水脫氮的較大阻礙。因此，本文試圖尋求一些快速有效的方法促進(jìn)厭氧氨氧化細(xì)菌的活性，進(jìn)而加快細(xì)菌的生長(zhǎng)速率以達(dá)到快速啟動(dòng)厭氧氨氧化工藝的目的。本文旨在通過(guò)電化學(xué)技術(shù)強(qiáng)化厭氧氨氧化細(xì)菌

2、的活性，重點(diǎn)考察了包括靜電場(chǎng)、電極生物膜等方式耦合厭氧氨氧化脫氮工藝的可能性，并對(duì)其作用機(jī)理進(jìn)行了深入的探索。本論文主要內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。
　　(1)利用合適的靜電場(chǎng)施加于厭氧氨氧化反應(yīng)器，促進(jìn)了厭氧氨氧化細(xì)菌的活性，取得了良好的脫氮效果。當(dāng)靜電場(chǎng)強(qiáng)度為2 V/cm，電場(chǎng)總作用時(shí)間為18h/day，電場(chǎng)連續(xù)作用時(shí)間和間歇時(shí)間分別為9h和3h時(shí)，經(jīng)過(guò)160天的培養(yǎng)，厭氧氨氧化反應(yīng)器的脫氮效率提高了39％。靜電場(chǎng)強(qiáng)度過(guò)大或者作用時(shí)

3、間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)對(duì)厭氧氨氧化細(xì)菌的活性產(chǎn)生抑制，但是當(dāng)靜電場(chǎng)撤除之后，厭氧氨氧化細(xì)菌的活性可以緩慢恢復(fù)。對(duì)靜電場(chǎng)施加前后的反應(yīng)器內(nèi)菌種進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，外加靜電場(chǎng)會(huì)導(dǎo)致厭氧氨氧化細(xì)菌的細(xì)胞結(jié)構(gòu)發(fā)生明顯的不規(guī)則變化，細(xì)胞色素c酶鏈?zhǔn)椒磻?yīng)顯示這種不規(guī)則變化可能使厭氧氨氧化小體內(nèi)部的細(xì)胞色素c的儲(chǔ)存量增加。
　　(2)通過(guò)將三電極應(yīng)用于厭氧氨氧化反應(yīng)器，構(gòu)建了三電極生物膜體系，提高了厭氧氨氧化細(xì)菌的掛膜性能，取得了良好的脫氮效果。實(shí)驗(yàn)表明，在三電

4、級(jí)生物膜體系中，合適的電極電勢(shì)也能增強(qiáng)厭氧氨氧化細(xì)菌的活性。當(dāng)工作電極與參比電極之間的電勢(shì)差為0.08 V時(shí)，三電極厭氧氨氧化反應(yīng)器具有最好的脫氮效率，但是電極電勢(shì)超過(guò)0.08V可能會(huì)抑制厭氧氨氧化細(xì)菌的活性。當(dāng)電極電勢(shì)為0.08 V，運(yùn)行時(shí)間達(dá)到188天時(shí)，三電極厭氧氨氧化反應(yīng)器的氮去除率達(dá)到了0.91 kg-N/m3/d，相比對(duì)照反應(yīng)器提升了27.2％。三電極生物膜體系改變了厭氧氨氧化細(xì)菌的菌膠團(tuán)胞外聚合物的含量，也改變了胞外聚合物

5、中蛋白和多糖的百分比。通過(guò)對(duì)不同反應(yīng)器的菌種分析發(fā)現(xiàn)，三電極體系導(dǎo)致厭氧氨氧化細(xì)菌的關(guān)鍵酶肼脫氫酶(Hydrazine Hehydrogenase，HDH)，硝酸鹽還原酶(Nitrate Reductase，NAR)和亞硝酸鹽還原酶(Nitrite Reductase，NIR)活性分別增強(qiáng)了20％-50％。并且經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期培養(yǎng)之后發(fā)現(xiàn)，三電極反應(yīng)器中的厭氧氨氧化細(xì)菌16S rRNA拷貝數(shù)也增加了20.4％。不僅如此，透射電子顯微鏡（Tran

6、smission ElectronMicroscope，TEM）也顯示，三電極生物膜體系同樣導(dǎo)致了厭氧氨氧化細(xì)菌結(jié)構(gòu)的不規(guī)則變化。
　　(3)針對(duì)電極生物膜厭氧氨氧化細(xì)菌掛膜性能差的缺點(diǎn)，利用還原態(tài)氧化石墨烯(Reduced Graphene Oxide，RGO)對(duì)電極進(jìn)行改性，并將改性電極應(yīng)用于電極生物膜厭氧氨氧化反應(yīng)器取得了比較好的脫氮效果。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，RGO的加入能促進(jìn)厭氧氨氧化細(xì)菌及其關(guān)鍵酶的活性。100 mg/L的RGO的

7、加入導(dǎo)致厭氧氨氧化細(xì)菌的活性增強(qiáng)了17.2％。并且通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，RGO的加入能極大的加快細(xì)菌關(guān)鍵酶酶促反應(yīng)速率，這是因?yàn)镽GO具有比輔酶Q更強(qiáng)的電子傳遞能力，RGO能加快甚至能代替輔酶Q參與酶促反應(yīng)。以活性污泥為種泥啟動(dòng)厭氧氨氧化反應(yīng)器實(shí)驗(yàn)表明，100 mg/L RGO可以明顯加快厭氧氨氧化細(xì)菌的生長(zhǎng)速率，最終將厭氧氨氧化反應(yīng)器的啟動(dòng)周期減少了26.9％。實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)可以通過(guò)化學(xué)方法將RGO用于修飾電極，將RGO/PPy電極應(yīng)用于電極生物

8、膜厭氧氨氧化工藝提高了37.5％的厭氧氨氧化脫氮效率。
　　(4)針對(duì)厭氧氨氧化工藝出水中存在硝氮的缺點(diǎn)，利用電極生物膜陰極附著自養(yǎng)反硝化細(xì)菌能夠在不添加有機(jī)物的情況下去除硝氮的特性，構(gòu)建了電極生物膜-厭氧氨氧化-自養(yǎng)反硝化耦合體系，并取得了良好的脫氮效果。耦合自養(yǎng)工藝的最佳工作電壓為1.5 V。通過(guò)調(diào)整耦合工藝進(jìn)水亞硝氮和氨氮的比例，可以取得更好的脫氮效果。當(dāng)進(jìn)水比例調(diào)整為1.5時(shí)，耦合工藝的氮去除效率最高達(dá)到了99.1％，其中